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结构与动力学

结构与动力学

可视化氦气’相互作用的电子

振奋人心:离子氦的干扰模式

的发作“electron correlation”国际研究人员团队首次观察到氦原子中的氢原子使用“光电离显微镜” technique that the team developed in 2002, the researchers have now turned their quantum microscope on the helium atom. The team also found that it was able to tune these 电子相关 at will.

氦原子包括被两个电子包围的双电荷核,是自然界’是氢原子之后的第二个最简单的原子,它由一个质子和一个电子组成。氦中恰好存在两个电子为物理学家提供了理想的实验室进行测试“电子相关”,当电子的性质受其与其他电子的相互作用影响时发生。这很重要,因为大多数材料(例如超导体)中的电子彼此之间相互作用非常强烈,以至于仅通过研究单个电子的行为就无法预测其性能。

高度相关

Proper descriptions of 电子相关 are highly sought after but are notoriously difficult to achieve, explains 马克·弗拉金(Marc Vrakking) 柏林最大研究机构(Max-Born-Institute)的负责人,他是这项新作品的首席研究员。“For example, the ‘密度泛函理论’[一种研究多体系统电子结构的量子力学建模方法]将是一个完美的理论,只要知道如何包括化学作用就可以解决几乎所有的化学问题。电子相关正确。全理论家的军队正在为此而努力,” he laments.

无需考虑相关性,就可以成功地理解原子物理学中的许多现象。例如,了解原子或分子在被高能光子照射时如何电离可以通过仅考虑单个轨道中电子的响应而忽略其与原子或分子中其他电子的相互作用来完成。 Vrakking告诉 physicsworld.com 在这种系统中,当电子相关性变得重要时,准确地进行计算是一个非常活跃的研究领域。“有很多旨在观察电子相关性发作的研究,试图以某种方式理解它,希望以后可以转移到更复杂的系统中,在其中包含电子相关性效应是必不可少的,” he says.

在新作品中 安妮塔·斯托多纳(Aneta Stodolna)荷兰FOM原子与分子物理研究所的研究人员与Vrakking和法国,德国和美国的其他同事一起研究了氦的光电离。如同 研究小组去年在研究氢原子时完善的方法,实验开始于氦原子,该氦原子通过与高能电子碰撞而激发,从而使氦进入长寿命的激发态。然后通过吸收单个紫外线光子使氦原子电离,对其能量进行调整,使其仅足以使氦电离– 99.9% of the photon’s的能量用于克服原子和仅0.1%的光子的电离势’的能量转换为光电子动能。然后将非常慢的光电子加速到2D 探测器,捕获其位置。这提供了检测器平面内电子速度的度量。

Whole armies of theoreticians are working on and struggling with [电子相关]
马克·弗拉金(Marc Vrakking),马克斯·波恩研究所(Max-Born-Institute),柏林

电子显示波–粒子对偶性,并且电子的动能越低,其De越大 布罗意波长。实际上,对于足够低的动能,  在宏观长度尺度上,布罗意波长变得可见。在氦离子电离实验中,慢电子的波状性质使研究人员可以观察到一系列干涉环,在其检测器处交替出现相长和相消干涉。

在该小组去年进行的氢实验中,干涉图样与原子波函数的节点图样有关,当原子吸收光子时,该波型被激发。 Vrakking先前进行的研究’团队与氙原子一起发现,由于传播到检测器的电子的光程不同,也可以看到干涉图。但是令人惊讶的是,对于氦气,两种作用似乎都发挥了作用。

鲜明的外观和意外状态

当原子置于电场中时,其光谱线会发生移动和分裂,这被称为“Stark effect”。随着电场的增加,一些斯塔克态向更高的激发能转移;这些被称为蓝移斯塔克状态。“要从该状态电离原子,您’与没有电场的情况相比,将需要具有更短波长(即,更多能量)的激光。较短的波长意味着激光的颜色将是‘more blue’,”Stodolna解释。相反,向较低能量转移的状态需要更长的波长,因此需要激发的能量更少。因此,激光的颜色更偏向红色,这被称为红移的斯塔克状态。

Vrakking和他的同事没想到在他们的实验中会看到任何红色状态,因为它们的寿命很短,因此在测量光电离产率作为光子能量的函数时无法识别。而是,实验中出现了许多蓝色状态,并且该团队所做的大多数干扰测量的确是针对这些蓝色状态的。但是研究人员还观察到一些不规则的测量结果。“在一些非常罕见的位置,我们可能突然看到红色状态,并且观察到了根据该红色状态的量子数的环形图。我们可以确定这是这种非常短暂的红色状态与附近的蓝色状态相互作用的结果。这种相互作用导致通常情况下彼此强烈相互作用的氦原子中的两个电子突然不再真正相互相互作用,从而氦原子开始表现出氢原子的行为,” explains Vrakking.

更多over, the team observed that it could control the dynamics of the helium atoms by applying tiny changes (much less than 1%) to the strength of the external electric field. Indeed, when the 电子相关 are turned off, the helium atom behaves just like a hydrogen atom. When turned on, its dynamics is strongly affected by the interaction between the two electrons.

Vrakking认为团队’s work with the helium atom has shown how it can be used as an excellent model system for those keen to study the onset of 电子相关 in simple systems.

该研究发表在 体检信.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者